Развивающийся эмбрион плодовой мушки способен к генетическим коррекциям
Животные обладают удивительной способностью к надежному развитию, несмотря на изменчивые условия эмбриогенеза. Новое исследование, опубликованное параллельно на этой неделе в PLoS Biology и PLoS Computational Biology, объясняет, как живые организмы могут развиваться в точные взрослые формы при наличии значительной вариабельности на стадиях развития. Команда под руководством Джона Рейнитца из Университета Стоуни-Брук, финансируемая Национальными институтами здоровья (NIH), показывает, как эмбрионы плодовой мушки могут «забывать» начальные некорректные версии плана строения тела и развиваться в узнаваемых взрослых мух.
«Наши результаты показывают, что группы генов могут действовать друг на друга, чтобы уменьшить вариацию, и подчеркивают важность генетических сетей в обеспечении надежного развития», — сказал доктор Джон Рейнитц.
Канализация — принцип биологии развития, описанный более 60 лет назад К. Х. Уоддингтоном, — это свойство эмбрионального развития, при котором генетические взаимодействия могут корректировать биохимические реакции для достижения надежных результатов развития, несмотря на изменчивые условия.
Был достигнут значительный прогресс в понимании буферизации генотипической и средовой вариабельности, и были идентифицированы отдельные мутации, которые эту вариабельность выявляют. Однако механизмы, с помощью которых генетические взаимодействия обеспечивают канализацию, до сих пор плохо изучены, поскольку для этого требуются молекулярные данные о множественных детерминантах развития и модели, правильно предсказывающие сложные взаимодействия.
«Мы используем данные об экспрессии генов с высоким пространственным и временным разрешением для gap-генов, участвующих в сегментации эмбриона плодовой мушки Drosophila, — сказал доктор Рейнитц. — Мы также применяем математическую модель, чтобы показать, что перекрестная регуляция между gap-генами ответственна за канализацию в этой системе».
Модель предсказала конкретные взаимодействия, вызывающие канализацию, и это предсказание было подтверждено в экспериментах.
«При канализации, если в эмбрионе слишком много одного белка, сеть генов теоретически может изменить количество присутствующего белка так, чтобы результат для эмбриона был нормальным, — объяснил доктор Рейнитц. — С момента появления этой идеи был достигнут большой прогресс в понимании буферизации вариаций, но конкретные механизмы, с помощью которых генетические взаимодействия способствуют канализации, оставались неясными — до сих пор».
Авторы начали с измерения концентраций определенных белков в нормальных и мутантных эмбрионах Drosophila на ранней стадии развития, когда эмбрион похож на полый мяч для регби. Каждый белок синтезируется из гена, и каждый из измеренных белков выполняет регуляторную роль: они могут включать и выключать свой собственный ген и другие гены. Авторы создали серию уравнений, которые могли бы описать диффузию белков и их действие на собственный ген и на другие гены в сети. Эти уравнения показывают, что широкий диапазон начальных условий (с точки зрения концентраций белков) приводит к нескольким возможным конечным условиям. Эти конечные условия, называемые точками притяжения (fixed points), управляют или описывают конечное состояние процесса сегментации эмбриона плодовой мушки. Они не допускают изменчивости в эмбрионе и «забывают» начальную информацию. Это математическое свойство в сочетании с точностью описания биологических процессов может быть использовано для теоретического объяснения модели канализации Уоддингтона.
«Это исследование — пример того, как биология становится точной и количественной областью, подобной физике», — говорит Рейнитц.